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Top > Research > Solar : Dilute nitride MQW

Updated August 21, 2017

■ テーマ例 ■

伝導帯を平坦化した希薄窒素添加多重量子井戸構造の太陽電池応用

W. Yanwachirakul,宮下 直也(岡田研究室), H. Sodabanlu,渡辺 健太郎,杉山 正和,岡田 至崇(岡田研究室),中野 義昭

多接合型太陽電池は現在効率の最高記録を保持しているが,Ge基板に格子整合しつつ電流整合に必要なバンドギャップ1.2 eV(3接合)や1.0 eV(4接合)を持った材料が通常は存在しないという問題がある.窒素を数パーセント添加した希薄窒素半導体は,この問題を解決する可能性を秘めている.

希薄窒素半導体では,窒素がホスト半導体の伝導帯と相互作用してE+とE-の2つのバンドに分裂させることで等価的にバンドギャップを狭くできる.Band-anti-crossing (BAC)モデルによれば,GaAsへの数パーセントの窒素添加により1.2 eVや1.0eVのバンドギャップを実現でき,窒素添加による格子定数の減少はInを添加することで補償できる.しかし,添加した窒素がバンド端付近に電子のトラップ準位をつくるため,希薄窒素を含む半導体のキャリア寿命は短く太陽電池応用の妨げとなっている.

我々は,InGaAsと希薄窒素を含むGaNAsを積層した新たな多重量子井戸(MQW)構造を提案している.周期的に存在する希薄窒素を含まないInGaAs層にも電子を存在させることで,GaNAsにおける窒素由来トラップを介したキャリアの非発光再結合を防ぎ,MQW光吸収層から外部のn型およびp型領域へのキャリアの取り出しを効率化することを期待している.バンド端のオフセットに関しては,InとNの組成をそれぞれ最適化することで,伝導帯のバンドオフセットを無くして平坦化し,キャリア輸送を効率化できる.また,歪み補償はInGaAsとGaNAsの層厚比を最適化することにより達成できる.


図1 希薄窒素による伝導帯端の変調

図2 成長速度20, 60, および90 µm/hで作製したGaAs太陽電池の電流電圧特性(AM1.5)および量子効率

図 3 成長速度20, 60, および90 µm/hで作製したGaAs太陽電池の電流電圧特性(AM1.5)および量子効率
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